Neste apêndice são descritos em detalhes os mancais do grupo turbina-gerador. As subseções a seguir apresentam cada um dos três mancais: Mancal guia da turbina, mancal combinado e mancal guia do gerador.
A.1.1 - Mancal guia da turbina
O mancal guia da turbina está alojado próximo ao acoplamento do eixo com o rotor da turbina. Este mancal tem função de transferir os esforços radiais do eixo da turbina ao concreto. É composto de um casquilho bi-partido em aço carbono com deposição de metal patente.
O casquilho é constituído de duas partes (bi-partido) montadas através de tirantes especiais. Este equipamento é fixado na tampa superior interna por meio de parafusos e tem em seu diâmetro seis sapatas (ou patins). As sapatas são segmentos de aço que possuem em sua superfície interna uma camada de metal patente. O metal patente é constituído de uma liga de estanho, cobre e antimônio, e tem por objetivo suportar os esforços radiais do eixo da turbina. Trata-se de uma proteção do mancal contra desalinhamento em relação ao eixo. É uma espécie de “fusível” mecânico, uma vez que, na ocorrência de desalinhamento, o metal patente se choca contra o eixo da turbina e se destrói, evitando o contato direto do casquilho com o eixo, o que poderia causar prejuízos maiores. As Figuras A.1 e A.2 mostram um croqui do mancal guia de casquilho bi-partido. O casquilho fica imerso em óleo, o qual é armazenado por uma cuba que envolve todo o mancal. As porções não preenchidas pelo metal patente servem para fuga do óleo, isto é, induzirão o óleo a subir e lubrificar a camisa do eixo até retornar a cuba por intermédio de furos localizados na parte superior do casquilho.
A refrigeração do óleo do mancal guia inferior é realizada naturalmente, pela própria água que passa nas pás do distribuidor, trocando calor da parede externa da cuba com o óleo em movimento pela ação do eixo.
Figura A.1- Mancal de casquilho bi- partido (vista isométrica).
Figura A.2- Mancal guia (vista frontal).
A.1.2 - Mancal combinado
Toda massa girante do grupo turbina-gerador está apoiada axialmente no mancal de escora e radialmente nos mancais guia. O conjunto formado pelo mancal de escora e pelo mancal guia intermediário, ambos contidos na mesma cuba de óleo, é denominado mancal combinado. Este mancal está localizado logo abaixo do gerador, e sua função primordial é transferir ao concreto os esforços radiais do eixo do gerador (através do mancal guia intermediário) e os esforços axiais de empuxo hidráulico e peso próprio das peças girantes (através do mancal de escora).
O mancal de escora é do tipo deslizante, composto de duas superfícies principais e distintas, sendo uma parte móvel acoplada ao eixo constituída pelo anel de escora, e uma parte fixa constituída pelos patins ou sapatas, conforme mostrado na Figura A.3. O anel de escora é um disco de aço polido, comumente chamado de espelho. As sapatas do mancal de escora são em número de 10. Constituem-se de um bloco fundido em forma de coroa. Sua superfície superior é constituída de metal patente e tem seu acabamento cuidadosamente usinado e rasqueteado, a fim de se obter uma planicidade regular em sua superfície onde se apóia o anel de aço polido (espelho). Contém em seu interior um canal para injeção de óleo a alta pressão.
Figura A.3- Croqui do mancal de escora (vista em corte frontal).
Os patins, e a parte inferior do anel de escora ficam imersos no óleo contido na cuba. Não há contato entre estas duas superfícies, pois a cuba permite a formação de um filme de óleo entre o colar de escora (rotativo) e os patins (fixos). Este filme permite a transferência de cargas consideráveis com pequenos dispêndios de energia. A espessura nominal do filme de óleo para UHE Balbina é 9,0 centésimos de milímetro e sua função é evitar o contato direto de metal com metal e também fazer o resfriamento, dissipando o calor gerado pelo atrito entre as superfícies.
No caso específico de Balbina, os esforços exercidos sobre o mancal combinado não são simplesmente transmitidos, mas também equalizados por meio de um conjunto óleo- dinâmico formado por membranas e placas de assento (Figura A.3). Diz-se, portanto, se tratar de um sistema auto-compensado. Para a distribuição de cargas e pressões, as sapatas são montadas sobre membranas pressurizadas e interligadas por tubulações. Tais membranas contêm óleo em seu interior. Quando o mancal estiver em carga, tem-se uma pressão interior no conjunto que é distribuída uniformemente entre as membranas, produzindo uma equiparação de pressão praticamente perfeita sobre as sapatas. Uma rótula é montada no interior de cada uma dessas membranas com a finalidade de viabilizar o funcionamento do mancal em caso de falta de óleo no circuito interno das mesmas. A rótula é, portanto, um dispositivo de segurança. A Figura A.4, a seguir, mostra a montagem dos patins sobre o conjunto de membranas do mancal escora.
Figura A.4- Montagem dos patins sobre o conjunto de membranas do mancal escora.
O mancal guia intermediário é constituído por um casquilho bipartido semelhante ao mancal guia inferior. Entretanto, tal casquilho é formado por 14 sapatas.
Além dos dois mancais (guia e escora), o mancal combinado é composto de sistemas auxiliares associados para dissipação de calor (sistema de lubrificação e resfriamento) e partida da unidade (sistema de injeção de óleo).
O sistema de lubrificação e resfriamento é composto de trocadores de calor, motobombas para circulação de óleo e filtros. O óleo é retirado da cuba por um conjunto de bombas, resfriado através de trocadores de calor e reconduzido à cuba onde estão imersas as partes ativas dos mancais. Os trocadores de calor têm como fluido refrigerante a água. Existem dois trocadores, ficando um normalmente em operação e outro como reserva. Na tubulação de recalque, após o sistema de resfriamento, fica instalado um conjunto de filtros, com a finalidade de completar a limpeza do óleo antes de retornar à cuba. A circulação de óleo no mancal combinado é realizada por duas bombas de corrente alternada identificadas como “AI” e “AJ”.
O sistema de injeção de óleo é composto por motobombas que injetam óleo a alta pressão no mancal durante a partida e parada da unidade geradora. Devido ao peso da massa girante e o empuxo hidráulico que incide sobre o mancal de escora, é necessário que durante a partida e parada da máquina, seja injetado óleo sob pressão entre as sapatas e o anel do mancal de escora, para lubrificá-lo. O sistema de injeção de óleo do mancal de escora forma uma película (filme) de óleo entre as partes fixas e girantes, na faixa de 0% a 50% da rotação nominal. Em sua rotação nominal ou mesmo acima de 50% da mesma o
mancal de escora é auto-lubrificado. A injeção de óleo no mancal é realizada por duas bombas de alta pressão, uma em corrente alternada (CA) outra em corrente contínua (CC), identificadas como “AG” e “AH”, respectivamente.
Tanto as bombas de injeção e circulação de óleo quanto os filtros e trocadores de calor do sistema de resfriamento do mancal combinado estão dispostos em duplas, constituindo uma redundância passiva, isto é, caso haja uma falha no equipamento principal, o equipamento reserva entrará em operação. A Figura A.5 apresenta uma fotografia do sistema de lubrificação e resfriamento do mancal combinado da usina hidrelétrica de Balbina, incluindo também as motobombas de injeção de óleo.
Figura A.5- Sistema de lubrificação e resfriamento do mancal combinado.
A.1.3 - Mancal guia do gerador
O mancal guia do gerador está localizado na parte superior da unidade geradora, entre o cabeçote Kaplan e o gerador. Este mancal possui basicamente a mesma finalidade (limitar as oscilações radiais do eixo) e a mesma constituição (cuba de óleo e sapatas) que os demais mancais guia. As sapatas são em número de 14, dispostas radialmente ao redor do eixo e alojadas em um anel bipartido fundido em aço.
O mancal é refrigerado através de um sistema composto de trocadores de calor, motobombas e filtros, de forma semelhante ao sistema de refrigeração do mancal
combinado. As motobombas de circulação de óleo são identificadas como motobombas “1” e “2”. Quando uma motobomba estiver em funcionamento a outra estará em reserva, ocorrendo o mesmo com os trocadores de calor. A Figura A.6 apresenta o sistema de refrigeração do mancal guia superior.